相對論與相對論重力測量

前言

作為地球科學(xué)特別是地球物理學(xué)的一個分支，大地測量學(xué)具有非常重要的地位?？臻g技術(shù)的發(fā)展將大地測量學(xué)推向了新的歷史舞臺，相繼誕生了衛(wèi)星大地測量學(xué)、慣性大地測量學(xué)乃至更廣義的空間大地測量學(xué)。經(jīng)典大地測量理論以歐幾里得空間為背景，以牛頓時空觀和經(jīng)典物理學(xué)為基礎(chǔ)。大地測量的重要基礎(chǔ)之一是物理大地測量，或者說是重力測量理論。傳統(tǒng)的重力測量理論以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)，通稱牛頓重力測量理論（簡稱重力測量）。當(dāng)相對精度要求接近或高于10-8～10-9量級時，牛頓重力測量理論不再保持有效，需要用以廣義相對論為基礎(chǔ)的重力測量理論——相對論重力測量理論來代替。隨著科學(xué)技術(shù)特別是空間觀測技術(shù)的發(fā)展，觀測量的精度越來越高，對許多待確定的量（如位置坐標(biāo)、重力場、大地水準(zhǔn)面等）的精度要求也隨之提高。因此，基于時代發(fā)展所需，有必要建立相對論重力測量理論。理論往往會走在實踐的前面，相對論重力測量也是如此?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，相對論重力測量將會得到廣泛應(yīng)用。

內(nèi)容概要

本書著重闡述相對論基礎(chǔ)以及相對論重力測量。    以歷史發(fā)展為線索，以第一性原理為準(zhǔn)則，以盡可能簡明的陳述和邏輯推演，闡述了大地測量發(fā)展史以及狹義相對論；基于流形概念引入張力分析和黎曼幾何，闡述了廣義相對論基礎(chǔ)，討論并闡述了支持廣義相對論的三大經(jīng)典實驗檢驗以及建立相對論大地測量所需要的各類方程；以廣義相對論為基礎(chǔ)研究了地球重力場理論，特別深入研討了與物理大地測量密切相關(guān)的重力測量問題；研究了相對論意義下的絕對重力測量和相對重力測量；闡述了相對論大地水準(zhǔn)面以下以及等頻大地水準(zhǔn)面的概念，給出了利用頻移法確定重力位差以及外部重力場的方法；闡述了相對論重力梯度測量原理；討論了引力和慣性力的分析問題。    本書可作為理工科高年級本科生、研究生和相關(guān)科研人員的參考書。

作者簡介

申文斌，1960年10月生，新疆昌吉人：l 996年獲奧地利格拉茨技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位；武漢大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、珞珈學(xué)者特聘教授；武漢大學(xué)測繪學(xué)院地球物理系主任，湖北省天文學(xué)會副理事長，湖北省地震學(xué)會理事，全國高等教育地球科學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會委員，武漢大學(xué)學(xué)報信息科學(xué)版、大地測量與地球動力學(xué)、測繪科學(xué)等雜志的編委；主要從事物理大地測量、相對論大地測量及地球物理教學(xué)和研究；主持、參與了多項國家自然科學(xué)基金、國家863以及省部級科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金項目：倡導(dǎo)學(xué)科之間的相互交叉融合發(fā)展理念，主張親近自然、探索自然，推崇多學(xué)科、多方位、多元化合作研究；發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，合作出版專著、教材3部。

書籍目錄

第1章  引論  1.1  大地測量發(fā)展簡史    1.1.1  歐幾里得幾何與大地測量學(xué)的興起    1.1.2  牛頓力學(xué)與物理大地測量學(xué)    1.1.3  慣性大地測量與空間大地測量的興起  1.2  相對論發(fā)展簡史    1.2.1  光速恒定原理    1.2.2  相對性原理與狹義相對論    1.2.3  牛頓引力理論與等效原理    1.2.4  非歐幾何  1.3  相對論大地測量概述    1.3.1  引言    1.3.2  相對論重力測量    1.3.3  相對論慣性大地測量    1.3.4  相對論參考系    1.3.5  相對論空間大地測量第2章  狹義相對論導(dǎo)引  2.1  慣性定律、慣性參考系及伽利略相對性原理  2.2  兩個基本假設(shè)  2.3  洛倫茲變換及推論    2.3.1  洛倫茲變換    2.3.2  時間膨脹及雙生子佯謬    2.3.3  長度收縮    2.3.4  事件次序  2.4  洛倫茲變換的應(yīng)用    2.4.1  速度變換    2.4.2  多普勒效應(yīng)和光行差    2.4.3  慣性質(zhì)量公式    2.4.4  質(zhì)能公式  2.5  形式發(fā)展    2.5.1  閔可夫斯基空間    2.5.2  光速單位制    2.5.3  事件間隔    2.5.4  一般洛倫茲變換表示  2.6  相對論動力學(xué)    2.6.1  相對論力    2.6.2  能量和動量  2.7  矢量和張量  2.8  能量動量張量  2.9  粒子的自旋第3章  廣義相對論基礎(chǔ)  3.1  等效原理    3.1.1  引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量    3.1.2  等效原理的精確表述    3.1.3  度規(guī)張量與粒子在引力場中的運動    3.1.4  運動方程的牛頓極限    3.1.5  引力頻移效應(yīng)    3.1.6  廣義協(xié)變原理  3.2  近代數(shù)學(xué)物理幾何方法    3.2.1  拓?fù)淇臻g    3.2.2  映射    3.2.3  流形與張量    3.2.4  張量代數(shù)    3.2.5  張量密度    3.2.6  導(dǎo)數(shù)算子與平行移動    3.2.7  仿射聯(lián)絡(luò)的變換    3.2.8  曲率與黎曼張量    3.2.9  測地線與測地線偏離方程  3.3  引力效應(yīng)    3.3.1  對應(yīng)原理    3.3.2  質(zhì)點動力學(xué)    3.3.3  自旋運動方程    3.3.4  能量動量張量    3.3.5  引力、慣性力以及馬赫原理  3.4  愛因斯坦場方程  3.5  幾種常見的度規(guī)及應(yīng)用    3.5.1  Schwarzschild度規(guī)    3.5.2  Robertson度規(guī)和Ken度規(guī)    3.5.3  一般運動方程    3.5.4  光線偏轉(zhuǎn)    3.5.5  粒子軌道的近點進(jìn)動    3.5.6  時鐘、量桿及引力行為    3.5.7  粒子自旋的進(jìn)動效應(yīng)    3.5.8  光傳播的時間延遲效應(yīng)  3.6  后牛頓近似及應(yīng)用    3.6.1  后牛頓近似    3.6.2  質(zhì)點和光子在后牛頓近似場中的運動方程    3.6.3  能量動量張量的計算    3.6.4  引力場與引力磁場第4章  相對論重力測量  4.1  基本概念及度量標(biāo)準(zhǔn)    4.1.1  基本概念    4.1.2  時間標(biāo)準(zhǔn)    4.1.3  長度標(biāo)準(zhǔn)    4.1.4  研究方法  4.2  絕對重力測量和相對重力測量    4.2.1  引力與重力    4.2.2  絕對重力測量    4.2.3  相對重力測量    4.2.4  地球的質(zhì)量  4.3  重力位與相對論大地水準(zhǔn)面    4.3.1  重力位    4.3.2  相對論大地水準(zhǔn)面的定義及注釋    4.3.3  相對論大地水準(zhǔn)面與經(jīng)典大地水準(zhǔn)面的差異  4.4  高程差以及地球外部重力場的確定    4.4.1  測定重力位差的重力頻移法    4.4.2  大地水準(zhǔn)面位常數(shù)的確定    4.4.3  利用頻移觀測量確定高程差的方法    4.4.4  用頻移法確定地球外部重力場的方法  4.5  實現(xiàn)全球高程基準(zhǔn)統(tǒng)一的方法    4.5.1  利用GPS信號確定重力位差的方法    4.5.2  GPS信號頻移測量的誤差源分析    4.5.3  多普勒頻移消除法    4.5.4  全球高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一  4.6  軌道陀螺效應(yīng)以及探測地球引力場精細(xì)結(jié)構(gòu)的可能性  4.7  重力梯度測量    4.7.1  基本原理(牛頓框架)    4.7.2  引力與慣性力的分離問題    4.7.3  相對論重力梯度測量原理附錄A  基本常數(shù)  A.1  物理常數(shù)  A.2  大地測量常數(shù)參考文獻(xiàn)索引

章節(jié)摘錄

插圖：第2章 狹義相對論導(dǎo)引狹義相對論誕生于由愛因斯坦在1905年發(fā)表的一篇著名論文《論運動物體的電動力學(xué)》（Einstein，1905），其基礎(chǔ)是兩個基本假設(shè)：光速恒定假設(shè)和狹義相對性假設(shè)。從本質(zhì)上來說，狹義相對論是為了解決物理學(xué)規(guī)律在兩個慣性參考系之間的變換問題。正是由于狹義相對論，導(dǎo)致了自然哲學(xué)觀（特別是時空觀）的重大變革。時間膨脹，長度收縮，慣性質(zhì)量隨運動速度而變，質(zhì)能公式等，都是狹義相對論的基本內(nèi)容。隨著時間的推移，特別是由于閔可夫斯基（Minkowsky，1908）的卓越研究，狹義相對論被納入了完美的四維數(shù)學(xué)表示形式，為愛因斯坦（1915-1916）通向廣義相對論開辟了一條道路。需要指出的是，不管后來狹義相對論的形式發(fā)展得多么完善，但其基本內(nèi)容并沒有本質(zhì)變化。2.1  慣性定律、慣性參考系及伽利略相對性原理早在二千多年以前，亞里士多德就斷言，如果一個物體不受力的作用，它的運動速度就會逐漸減慢（參見中譯本，Aristotele，1982）。顯然，這是根據(jù)經(jīng)驗最容易得到的結(jié)論。

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